CN113976920B - 选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统 - Google Patents

选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统，涉及激光选取熔化技术中的计算机辅助工程技术领域，该方法包括：微观尺度步骤：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数；介观尺度步骤：建立介观尺度的多层多道扫描模型，将得到的温度场作为输入载荷，提取各向平均塑性应变；宏观尺度步骤：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。本发明能够体现成形过程中的温度场或应力场特征，且能够体现激光工艺和扫描策略对大型结构的残余变形影响，控制大型结构打印过程中的残余变形。

Description

选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统
技术领域
本发明涉及激光选取熔化技术中的计算机辅助工程技术领域，具体地涉及一种计算选区激光熔化成形大型金属结构变形的跨尺度有限元仿真方法，特别涉及一种选区激光熔化成形大型结构件残余变形的跨尺度控制方法及系统。
背景技术
航空航天等高端装备领域对大型、精密、复杂金属构件的需求越来越迫切。选区激光熔化(SLM)技术是一种实现复杂三维零件近净成形的增材制造技术，其特征是利用高能激光束按一定扫描路径熔化单层金属粉末，并以逐层累加形式成形复杂金属构件。与传统制造技术相比，选区激光熔化技术具有生产周期短、材料利用率高的优点，正在成为解决航空航天制造领域关键技术难题的有效途径，具有广阔的应用前景。
公开号为CN109249024B的发明专利，公开了一种选区激光熔化增材制造快速制备金属复合材料成型件的方法，将少量金属或金属复合材料粉末置于成型基板上而非粉末储存室内；在不开零件成型室门的状态下外部操作选区激光熔化设备软件控制零件成型室内的粉末辊轮移动铺粉和成型缸带动基板的升降；在不开零件成型室门的状态下外部操作选区激光熔化设备软件控制激光器选择性熔化粉末。
在零件SLM成形过程中，高能量激光热源的局部热输入带来了不均匀快速熔化凝固过程，产生了极大的温度梯度，使零件内部产生了较高的残余应力，进而发生零件热变形，甚至会导致构件发生翘曲变形、甚至开裂，中断零件打印成形过程。对于大型结构来说，残余应力的影响更加显著，成形过程风险更大，废件成本更高。因此需要采用数值模拟技术对零件整体成形过程进行仿真，预测最终应力和变形结果，为后续工艺参数的选取优化提供参考依据。
对于数值模拟来说，基于热弹塑性理论的传统单一尺度热力耦合模型可以有效预测小尺寸金属构件的残余应力和变形，但针对大型构件变形的计算成本过高，在预测大型构件变形方面没有优势。工程应用中通常首先采用试验方法针对特定打印工艺标定材料等效固有应变，然后通过固有应变法进行大型结构的变形预测，这种方法操作复杂，耗时较长且成本较高，且无法反映激光工艺参数与结构变形间的映射关系，不利于后期通过优化工艺参数调控改善大型结构在打印过程中的整体变形。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统。
根据本发明提供的一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，所述方法包括：
微观尺度步骤：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，并对单层单道扫描过程进行热仿真分析，计算简化等效热源作为介观尺度模型热源；
介观尺度步骤：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化等效热源并进行热仿真分析，将得到的温度场作为输入载荷，依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变；
宏观尺度步骤：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
优选的，所述微观尺度步骤中微观尺度单层单道扫描模型建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格；
建立热源模型，输入材料属性，设置热边界条件；
分时间步移动热源并进行温度场求解，得到温度时历曲线和分布曲线，计算等效热源Te(y,z,t)。
优选的，所述介观尺度步骤中介观尺度多层多道扫描模型的建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格，输入材料属性，设置热边界条件，杀死所有粉床单元；
激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化等效热源te(y,z,t)，再移除等效热源Te(y,z,t)进行冷却，对该过程进行温度场求解，直至所有粉层计算完毕；
将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，施加位移边界条件，杀死所有粉床单元；
通过生死单元法依序激活扫描道，读取对应的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕；
计算粉床内部的平均塑性应变，作为宏观尺度模型材料的等效固有应变。
优选的，所述宏观尺度步骤中宏观尺度结构件模型的建立和计算方法包括：建立几何模型并划分网格，将固有应变值换算成材料热膨胀系数加载在结构件模型上，再与基板连接位置施加固定边界条件；
杀死所有单元后，沿成形方向依次激活单元并进行力学仿真分析；
模拟零件从基板切除的线切割过程，输出零件最终变形。
优选的，所述介观尺度多层多道模型的激光等效热源Te(y,z,t)的计算表达式为：
Te(y,z,t)=T(y)*k1(Z)*k2(t)
其中，Te(y,z,t)表示介观尺度多层多道模型中的激光等效热源；
y，Z分别y轴和z轴坐标值；
t表示时间；
t(y)表示熔池横截面处粉床表面的温度分布曲线；
k1(Z)表示熔池中心沿深度方向的温度分布系数；
k2(t)表示熔池中心的温度时历系数。
优选的，所述针对多层多道模型的计算结果，对中央区域内部节点的塑性应变取平均值，作为宏观尺度模型材料的固有应变，该区域长宽高应分别占粉床区域长宽高的1/4～1/2。
优选的，所述T(y)，k1(Z)和k2(t)三个函数能够直接调用微观尺度单层单道模型的模拟结果，也能够将该模拟结果拟合获得对应的拟合函数。
第二方面，提供了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制系统，所述系统包括：
微观尺度模块：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，并对单层单道扫描过程进行热仿真分析，计算简化等效热源作为介观尺度模型热源；
介观尺度模块：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化等效热源并进行热仿真分析，将得到的温度场作为输入载荷，依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变；
宏观尺度模块：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
优选的，所述微观尺度模块中微观尺度单层单道扫描模型建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格；
建立热源模型，输入材料属性，设置热边界条件；
分时间步移动热源并进行温度场求解，得到温度时历曲线和分布曲线，计算等效热源Te(y,z,t)。
优选的，所述介观尺度模块中介观尺度多层多道扫描模型的建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格，输入材料属性，设置热边界条件，杀死所有粉床单元；
激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化等效热源te(y,z,t)，再移除等效热源Te(y,z,t)进行冷却，对该过程进行温度场求解，直至所有粉层计算完毕；
将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，施加位移边界条件，杀死所有粉床单元；
通过生死单元法依序激活扫描道，读取对应的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕；
计算粉床内部的平均塑性应变，作为宏观尺度模型材料的等效固有应变。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用多尺度方法，从微观到宏观数值模型进行层层映射，能够体现各个阶段成形过程中的温度场或应力场特征，解释成形过程机理；
2、通过本发明的仿真方法能够体现激光工艺和扫描策略对大型结构的残余变形影响，反向调控优化激光工艺参数，从一定程度上控制大型结构打印过程中的残余变形。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为跨尺度方法基本流程图；
图2为微观尺度单层单道模型计算流程图；
图3为介观尺度多层多道模型计算流程图；
图4为宏观尺度结构模型计算流程图；
图5为微观尺度中的单层单道激光扫描模型示意图；
图6为微观尺度中的激光热源模型；
图7为微观尺度单层单道有限元仿真结果温度云图；
图8为微观尺度单层单道有限元仿真试验结果对比；
图9为微观尺度单层单道有限元仿真温度示意图；
图10为微观尺度单层单道有限元仿真指定位置的温度分布曲线；
图11为微观尺度单层单道有限元仿真指定位置的温度时历曲线；
图12为介观尺度多层多道模型示意图；
图13为介观尺度多层多道模型仿真结果应力云图x向；
图14为介观尺度多层多道模型仿真结果应力云图y向；
图15为介观尺度多层多道模型仿真结果应力云图z向；
图16为介观尺度多层多道模型仿真结果位移云图x向；
图17为介观尺度多层多道模型仿真结果位移云图y向；
图18为介观尺度多层多道模型仿真结果位移云图z向；
图19为固有应变取值区域示意图；
图20为结构件模型示意图；
图21为结构件模型位移仿真结果位移云图；
图22为实际打印拱桥结构；
图23为风扇叶片几何模型；
图24为风扇叶片打印实物；
图25为风扇叶片经过数值模拟得到的位移云图；
图26为风扇叶片经过数值模拟得到的应力云图；
图27为经过变形补偿风扇叶片打印实物的三维扫描结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，该方法中一共包含三个模型：微观单层单道扫描模型、介观多层多道扫描模型和宏观结构模型。通过将激光熔化金属粉末过程由微观尺度到宏观尺度进行层层映射，在考虑激光工艺和扫描策略的基础上预测了大型构件的打印残余变形。三种模型的关系与计算步骤如图1所示，具体包括：
步骤S1：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，通过对单粉层单道扫描过程的热仿真分析，输出熔池温度分布曲线和时历曲线，计算简化等效热源te(y,z,t)作为介观尺度模型热源。
步骤S2：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化热源te(y,z,t)并进行热仿真分析，得到的温度场作为输入载荷，通过生死单元法依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变。
步骤S3：建立宏观尺度的结构件模型，采用生死单元法对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制大型结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
步骤S1所述的单层单道模型的建模与计算流程如图2所示，具体进行以下步骤：
步骤S1.1：根据激光工艺参数建立热源模型，根据选择的材料输入材料属性，设置对应的热对流、热辐射边界条件，建立粉层和基板结合的几何模型并划分网格；
步骤S1.2：以时间步Δt＝R/v为单位，移动热源并进行温度场求解，其中R为光斑半径，v为扫描速率；
步骤S1.3：对计算结果进行后处理，得到温度时历曲线和分布曲线；
步骤S1.4：根据温度曲线计算等效热源Te(y,z,t)，计算公式为：
Te(y,z,t)=T(y)*k1(Z)*k2(t)
其中，te(y,z,t)表示介观尺度多层多道模型中的激光等效热源；
y，Z分别y轴和z轴坐标值；
t表示时间；
T(y)表示熔池横截面处粉床表面的温度分布曲线；
k1(z)表示熔池中心沿深度方向的温度分布系数；
k2(t)表示熔池中心的温度时历系数。
T(y)，k1(z)和k2(t)三个函数可以直接调用微观尺度单层单道模型的模拟结果，可以将该结果拟合获得对应的拟合函数。
步骤S2所述的多层多道模型的建模与计算流程如图3所示，具体进行以下步骤：
步骤S2.1：根据选择的材料输入材料属性，设置对应的热对流、热辐射边界条件，建立粉层和基板结合的几何模型并划分网格，杀死所有粉床单元。
步骤S2.2：激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化热源Te(y,z,t)，再移除Te(y,z,t)进行冷却，冷却时间为ls/v，ls为扫描道长度，v为扫描速率，对这一完整过程进行温度场求解，当全部扫描道完成计算，激活下一层粉层重复本步骤，直至所有粉层计算完毕。
步骤S2.3：将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，在基板底面加载位移边界条件，杀死所有粉床单元。
步骤S2.4：采用生死单元法依序激活扫描道，读入S2.2中计算的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕。
步骤S2.5：对计算结果进行后处理，得到粉床内部的平均塑性应变作为该激光工艺参数和扫描策略下的等效固有应变。
步骤S3所述的宏观尺度结构件模型的建模与计算方法如图4所示，具体进行以下步骤：
步骤S3.1：建立宏观尺度结构件模型并划分网格，根据选择的材料输入材料属性，在与基板连接位置施加固定边界条件。
步骤S3.2：将固有应变值换算成材料热膨胀系数加载在结构件模型上，按高度依次激活结构件单元并进行力学仿真分析。
步骤S3.3：通过生死单元法模拟零件从基板切除的线切割过程，输出零件最终变形。
以上对于结构的残余变形计算均可在ANSYS软件中进行，如需要进行大型结构的变形控制，步骤S3需在Materialise Magics软件中进行，在软件中输入步骤S2得到的等效固有应变，开启变形补偿功能，该软件根据计算得到的结构变形，与原几何模型对比位移差值，对几何模型施加变形补偿，生成新的几何模型，重复几次迭代收敛后得到新的几何模型。采用新模型进行打印，即可控制大型结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
实施例1：
以SLM成形AlSi10Mg拱桥结构为例说明本发明的具体实施方法。本发明实例采用的激光工艺参数和扫描策略如表1所示，其它参数统一为：光斑半径R＝37.5μm，扫描间距d＝105μm。
表1本发明实施例1所用的激光工艺参数和扫描策略
Figure BDA0003282849630000081
本实施例共包含微观尺度的单层单道扫描模型、介观尺度的多层多道扫描模型和宏观尺度的结构件模型三个有限元模型，具体包括以下步骤：
首先，建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯激光热源模型参数，在热仿真分析结果中输出熔池温度分布曲线和时历曲线，计算介观尺度的多层多道扫描模型的热源输入参数Te(y,z,t)，具体步骤为：
步骤1：建立基板和粉床的几何模型，粉床尺寸为0.8mm*0.3mm*0.03mm，基板尺寸为0.8mm*0.5mm*1mm，几何模型示意图如图5所示。
步骤2：根据材料输入对应材料属性，本发明实施例选用的材料为AlSi10Mg，具体属性如表2所示。
表2本发明实施例1所用材料属性表
Figure BDA0003282849630000082
Figure BDA0003282849630000091
步骤3：划分网格，在与空气接触位置设置对应的热对流、热辐射边界条件；
步骤4：根据激光工艺参数建立热源模型，本发明实施例使用高斯面热源模型，具体表达为：
Figure BDA0003282849630000092
其中，Q(x，y)表示等效高斯热源；
x，y分别表示水平面上x和y轴坐标值；
exp(.)表示以自然常数e为底的指数函数；
A表示粉末的激光吸收率；
P表示激光功率；
R表示光斑半径。
以时间步Δt＝R/v为单位，每一时间步下在粉床表面移动并施加热源，并进行温度场求解，其中，R为光斑半径，v为扫描速率；
步骤5：对计算结果进行后处理，得到温度时历曲线和分布曲线，本发明实施例的温度场云图与试验对比结果如图6所示；
步骤6：计算等效热源Te(y,z,t)，本发明实例的等效热源Te(y,z,t)计算公式为：
Te(y,z,t)=T(y)*k1(Z)*k2(t)
其中：
t(y)=-0.519y2+2556
k1(Z)=1-0.0165Z
Figure BDA0003282849630000093
式中，T(y)表示熔池横截面处粉床表面的温度分布曲线；
k1(z)表示熔池中心沿深度方向的温度分布系数；
k2(t)表示熔池中心的温度时历系数，其具体位置如图6所示，dt1和dt2分别为熔池中心温度从熔点上升至最高温度和从最高温度下降至熔点的时间，各参数与数值模拟的温度分布和时历对比结果如图7所示。
然后，建立介观尺度的多层多道扫描模型并进行热结构耦合分析，按扫描顺序以扫描道为单位依次加载热源Te(y,z,t)，通过输出指定区域的平均塑性应变，计算选定材料在对应工艺和扫描策略下的固有应变值。具体步骤为：
步骤7：建立基板和粉床的几何模型，粉床尺寸为1mm*1mm*0.3mm，基板尺寸为2mm*2mm*1mm，具体几何模型示意图及热源施加方式如图8所示。
步骤8：重复步骤2～步骤3，输入材料属性，划分网格，设置边界条件。
步骤9：杀死所有粉床单元。
步骤10：激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化热源Te(y,z,t)，再移除Te(y,z，t)进行冷却，冷却时间为ls/v，ls为扫描道长度，v为扫描速率，对这一完整过程进行温度场求解。当全部扫描道完成计算，激活下一层粉层重复本步骤，直至所有粉层计算完毕。
步骤11：将热模拟单元类型转换至力学模拟单元类型，在基板底面加载位移边界条件，杀死所有粉床单元。
步骤12：依序激活扫描道，读取步骤10中计算的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕。
步骤13：对计算结果进行后处理，本发明实施例对于工况4计算得到的应力云图如图9所示，位移云图如图10所示。
步骤14：得到粉床内部的平均塑性应变作为该激光工艺参数和扫描策略下的等效固有应变，计算区域如图11所示，本实施例中L2＝L1，W2＝W1，H2＝H1。
最后，建立宏观尺度结构件模型并进行力学仿真分析，对单元引入固有应变值模拟材料在成形过程中的残余变形，对结构件模型进行层层叠加，得到零件最终变形。具体步骤为：
步骤15：建立宏观尺度结构件模型，本发明实施的结构几何尺寸和位移测量形式如图12所示。
步骤16：重复步骤2～步骤3，输入材料属性，划分网格，在与基板连接位置施加固定边界条件；
步骤17：将固有应变值换算成材料热膨胀系数加载在结构件模型上，按高度依次激活结构件单元并进行力学仿真分析；
步骤18：通过生死单元法模拟零件从基板切除的线切割过程，输出零件最终变形，本实施例得到的工况4的扫描策略的零件变形如图13所示。通过SLM工艺根据各工况的激光工艺参数和扫描策略进行了拱桥模型打印，打印实物如图14所示，试验测量和采用本发明计算的变形值如表3所示。
表3本发明实施例1中各工况数值模拟和试验测量结果
Figure BDA0003282849630000111
上述步骤均采用ANSYS APDL程序通过批处理的方式自动化实现。技术人员可通过更改工艺参数、结构几何尺寸等数据实现评估不同结构在不同激光工艺参数和扫描策略下的结构残余变形。
实施例2：
以SLM成形900mm航空发动机风扇叶片为例说明本发明的具体实施方法。结构几何形状如图15所示，打印工艺参数为：激光功率P＝355W，光斑半径R＝50μm，扫描速率v＝1600mm/s，扫描间距d＝130μm。
本实施例共包含微观尺度的单层单道扫描模型、介观尺度的多层多道扫描模型和宏观尺度的结构件模型三个有限元模型，具体包括以下步骤：
步骤1～14同本发明实施例1。
步骤15：在Materialise Magics软件中输入步骤14得到的等效固有应变，开启变形补偿功能，该软件根据计算得到的结构的残余应力和变形云图，如图16所示。经过计算迭代得到了经过变形补偿的新几何模型，采用新叶片模型进行打印，打印后得到的实物三维扫描结果与原几何模型对比的几何偏差如图17所示。
本发明实施例提供了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，采用多尺度方法，从微观到宏观数值模型进行层层映射，能够体现各个阶段成形过程中的温度场或应力场特征，解释成形过程机理；通过本发明的仿真方法能够体现激光工艺和扫描策略对大型结构的残余变形影响，反向调控优化激光工艺参数，从一定程度上控制大型结构打印过程中的残余变形。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，包括：
微观尺度步骤：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，并对单层单道扫描过程进行热仿真分析，计算简化等效热源作为介观尺度模型热源；
介观尺度步骤：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化等效热源并进行热仿真分析，将得到的温度场作为输入载荷，依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变；
宏观尺度步骤：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后，通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
2.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述微观尺度步骤中微观尺度单层单道扫描模型建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格；
建立热源模型，输入材料属性，设置热边界条件；
分时间步移动热源并进行温度场求解，得到温度时历曲线和分布曲线，计算等效热源Te(y，z，t)。
3.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述介观尺度步骤中介观尺度多层多道扫描模型的建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格，输入材料属性，设置热边界条件，杀死所有粉床单元；
激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化等效热源Te(y， z，t)，再移除等效热源Te(y，z，t)进行冷却，对该过程进行温度场求解，直至所有粉层计算完毕；
将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，施加位移边界条件，杀死所有粉床单元；
通过生死单元法依序激活扫描道，读取对应的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕；
计算粉床内部的平均塑性应变，作为宏观尺度模型材料的等效固有应变。
4.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述宏观尺度步骤中宏观尺度结构件模型的建立和计算方法包括：建立几何模型并划分网格，将固有应变值换算成材料热膨胀系数加载在结构件模型上，再与基板连接位置施加固定边界条件；
杀死所有单元后，沿成形方向依次激活单元并进行力学仿真分析；
模拟零件从基板切除的线切割过程，输出零件最终变形。
5.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述介观尺度多层多道模型的激光等效热源Te(y，z，t)的计算表达式为：
Te(y，z，t)＝T(y)*k1(z)*k2(t)
其中，Te(y，z，t)表示介观尺度多层多道模型中的激光等效热源；
y，z分别y轴和z轴坐标值；
t表示时间；
T(y)表示熔池横截面处粉床表面的温度分布曲线；
k1(z)表示熔池中心沿深度方向的温度分布系数；
k2(t)表示熔池中心的温度时历系数。
6.根据权利要求3所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，针对多层多道模型的计算结果，对中央区域内部节点的塑性应变取平均值，作为宏观尺度模型材料的固有应变，该区域长宽高应分别占粉床区域长宽高的1/4～1/2。
7.根据权利要求5所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述T(y)，k1(z)和k2(t)三个函数能够直接调用微观尺度单层单道模型的模拟结果，也能够将该模拟结果拟合获得对应的拟合函数。
8.一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制系统，其特征在于，包括：
微观尺度模块：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，并对单层单道扫描过程进行热仿真分析，计算简化等效热源作为介观尺度模型热源；
介观尺度模块：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化等效热源并进行热仿真分析，将得到的温度场作为输入载荷，依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变；
宏观尺度模块：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。
9.根据权利要求8所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制系统，其特征在于，所述微观尺度模块中微观尺度单层单道扫描模型建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格；
建立热源模型，输入材料属性，设置热边界条件；
分时间步移动热源并进行温度场求解，得到温度时历曲线和分布曲线，计算等效热源Te(y，z，t)。
10.根据权利要求9所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制系统，其特征在于，所述介观尺度模块中介观尺度多层多道扫描模型的建立和计算方法包括：
建立几何模型并划分网格，输入材料属性，设置热边界条件，杀死所有粉床单元；
激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化等效热源Te(y，z，t)，再移除等效热源Te(y，z，t)进行冷却，对该过程进行温度场求解，直至所有粉层计算完毕；
将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，施加位移边界条件，杀死所有粉床单元；
通过生死单元法依序激活扫描道，读取对应的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕；
计算粉床内部的平均塑性应变，作为宏观尺度模型材料的等效固有应变。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115455776B (zh) * 2022-09-16 2023-09-22 北京航空航天大学 增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007147221A1 (en) * 2006-06-20 2007-12-27 Katholieke Universiteit Leuven Procedure and apparatus for in-situ monitoring and feedback control of selective laser powder processing
CN105389435A (zh) * 2015-11-12 2016-03-09 南京航空航天大学 激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法
CN108334692A (zh) * 2018-01-30 2018-07-27 清华大学 预测增材制造零件变形的方法
CN108399280A (zh) * 2018-01-30 2018-08-14 南京理工大学 一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法
CN108399307A (zh) * 2018-03-14 2018-08-14 大连交通大学 一种激光3d打印有限元模拟方法
CN108664731A (zh) * 2018-05-11 2018-10-16 西安理工大学 一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法
CN109284524A (zh) * 2018-07-19 2019-01-29 西北工业大学 一种创建高精度增材制造有限元模型的方法
CN110598293A (zh) * 2019-09-03 2019-12-20 上海交通大学 微纳米纤维增强复合材料的断裂破坏行为预测方法
CN111950173A (zh) * 2020-07-08 2020-11-17 南京思锐迪科技有限公司 一种激光3d打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法
WO2020237977A1 (zh) * 2019-05-27 2020-12-03 北京工业大学 一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法
CN112182921A (zh) * 2020-08-31 2021-01-05 北京化工大学 一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测方法
CN112214917A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 武汉大学 一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
CN112287489A (zh) * 2020-11-06 2021-01-29 中国石油大学(北京) 基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法
CN113343521A (zh) * 2021-05-27 2021-09-03 重庆大学 基于comsol预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170212979A1 (en) * 2015-10-23 2017-07-27 Jinquan Cheng Method for quickly full-scale analyzing and designing the processing parameters and deposit strategy on temperature field for 3D printing/Additive manufacturing
CN110222439B (zh) * 2019-06-12 2020-01-07 四川大学 基于Abaqus平台疲劳损伤与寿命评估方法

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007147221A1 (en) * 2006-06-20 2007-12-27 Katholieke Universiteit Leuven Procedure and apparatus for in-situ monitoring and feedback control of selective laser powder processing
CN105389435A (zh) * 2015-11-12 2016-03-09 南京航空航天大学 激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法
CN108334692A (zh) * 2018-01-30 2018-07-27 清华大学 预测增材制造零件变形的方法
CN108399280A (zh) * 2018-01-30 2018-08-14 南京理工大学 一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法
CN108399307A (zh) * 2018-03-14 2018-08-14 大连交通大学 一种激光3d打印有限元模拟方法
CN108664731A (zh) * 2018-05-11 2018-10-16 西安理工大学 一种复合材料固化残余应力多尺度数值模拟方法
CN109284524A (zh) * 2018-07-19 2019-01-29 西北工业大学 一种创建高精度增材制造有限元模型的方法
WO2020237977A1 (zh) * 2019-05-27 2020-12-03 北京工业大学 一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法
CN110598293A (zh) * 2019-09-03 2019-12-20 上海交通大学 微纳米纤维增强复合材料的断裂破坏行为预测方法
CN111950173A (zh) * 2020-07-08 2020-11-17 南京思锐迪科技有限公司 一种激光3d打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法
CN112182921A (zh) * 2020-08-31 2021-01-05 北京化工大学 一种高性能合金钢选区激光熔化热力耦合行为预测方法
CN112214917A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 武汉大学 一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板
CN112287489A (zh) * 2020-11-06 2021-01-29 中国石油大学(北京) 基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法
CN113343521A (zh) * 2021-05-27 2021-09-03 重庆大学 基于comsol预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Predicting the Printability in Selective Laser Melting with a Supervised Machine Learing Method;Yingyan Chen;《materials》;20200910;1-12 *
Scanning strategy in selective laser melting(SLM):a review;Haolin Jia;《The International Journal of Advanced Manufacturing Tcehnology》;20210430;1-23 *
不锈钢激光选区熔化增材制造的介观模拟及工艺研究;赵德金;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20200803;1-56 *
中空环形激光熔覆层温度场与应力场的数值模拟研究;石世宏;《表面技术》;20200731;319-328 *
基于移动高斯热源的激光抛光瞬态有限元三维数值模拟;贺国阳;《激光与红外》;20210530;575-583 *
激光选区熔化工艺过程有限元分析;董志超;《2018年全国固体力学学术会议摘要集（下）》;20181231;307-307 *

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